论文部分内容阅读
碳化硅（SiC）MOS（金属-氧化物-半导体）功率器件是SiC材料高压高功率应用的重要组成部分。当SiC达到其临界击穿电场3MV/cm时，根据高斯定理可知，绝缘栅SiO2(k=3.9)中的电场高达7.4-7.7MV/cm，如此高的电场将降低氧化层的可靠性。随着器件应用对高压高功率要求的不断提高，如何在高电场下提高氧化层的可靠性，是目前的研究热点之一。HfO2、Al2O3、La2O3、HfAlO等高k材料作为栅介质材料，能否获得良好的器件特性是研究的关键点。 本文从理论上指出SiO2过渡层可改善高k介质特性，重点针对La2O3高k材料进行实验研究，对比了不同 SiO2厚度的 La2O3/SiO2堆垛介质对MOS电容电学特性的影响，同时，对比了La2O3和Al2O3两种高k材料的特性差异。本文采用热氧化工艺在n型4H-SiC（~8×1015cm-3）外延上生长SiO2，采用原子层淀积方法在SiO2上淀积约20nm的La2O3，并溅射正面和背面电极形成MOS电容。椭偏仪测试得到氧化时间为5min、10min和30min的SiO2厚度分别为3.36nm、4.35nm和8.06nm。通过XPS分析介质的元素组成和高k/SiC的能带结构，得出厚度较薄的SiO2（3.36nm）由于La原子扩散使得SiO2过渡层形成镧硅酸盐，能带结构分析得出La2O3和Al2O3的禁带宽度分别为5.87eV和6.96eV，La2O3/SiC和Al2O3/SiC的导带带偏分别为0.88eV和1.72eV。在淀积La2O3前后对不同厚度SiO2过渡层的样品进行汞探针C-V测试，并对MOS电容进行电流-电压（I-V）测试，获得电流密度-电场（J-E）特性曲线。结果表明，虽然Al2O3/SiC比La2O3/SiC的导带带偏大，但Al2O3/SiC的界面态密度大，导致Al2O3/SiC电容具有较大的漏电流。此外，3.36nm的SiO2过渡层形成镧硅酸盐，引入大量的氧化层陷阱电荷和界面陷阱电荷，且 SiO2过渡层禁带宽度减小，增加电子Fowler-Nordheim隧穿、肖特基发射、Frenkel-Poole发射的几率，导致SiO2过渡层为3.36nm的La2O3/SiO2/SiC样品栅漏电流最大。SiO2过渡层为8.06nm的La2O3/SiO2/SiC样品的栅漏电流密度最低。这是由于SiO2/SiC较大的势垒高度阻碍电子的隧穿，并且该样品的氧化层陷阱电荷密度和界面陷阱密度低，减小了电子隧穿的几率，提高了介质承受电场的能力。所以，SiO2过渡层是影响 La2O3/SiO2堆垛介质特性的重要因素。